JPWO2019181969A1 - Imaging device and imaging method - Google Patents

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Abstract

撮像処理の速度向上を可能とする撮像装置等を提供する。撮像装置は、画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、当該領域に二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられているフィルタと、フィルタを透過した二次元信号のパワーを検出する検出器と、二次元信号と二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係とをそれぞれ異なる場合に検出した複数のパワーに基づいて、二次元信号が表す画像を再構築する再構築手段と、を備える。Provided is an imaging device or the like capable of improving the speed of imaging processing. The image pickup device has a region through which the two-dimensional signal indicating the image is transmitted, and a filter provided with a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal in the region and the power of the two-dimensional signal transmitted through the filter. The image represented by the two-dimensional signal is reproduced based on the plurality of powers detected when the positional relationship between the detector to be detected and the distribution of the portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal is different from each other. It is equipped with a reconstruction means to be constructed.

Description

本開示は、撮像装置及び撮像方法に関する。 The present disclosure relates to an imaging apparatus and an imaging method.

圧縮センシングと呼ばれる、必要とされるデータよりも少ない観測データから画像等の対象を復元する技術が開発されつつある。圧縮センシングにおいて、対象を復元するためのアルゴリズムとして、例えば、非特許文献1に記載されているADMM(alternating direction method of multipliers)アルゴリズムといったアルゴリズムが用いられる。 A technique called compressed sensing, which restores an object such as an image from observation data that is less than the required data, is being developed. In compressed sensing, as an algorithm for restoring an object, for example, an algorithm such as the ADMM (alternation direction method of multipliers) algorithm described in Non-Patent Document 1 is used.

S.Boyd,N.Parikh,E.Chu et al,Distributed Optimization and Statistical Learning via the Alternating Direction Method of Multipliers,Foundation and Trends in Machine Learning 3,1−122,2010.S. Boyd, N.M. Parikh, E.I. Chu et al, Distributed Optimization and Static Learning via the Alternation Direction Machine Learning of Multipliers, Foundation and Trends3, Funding and Trends in

画像等の撮像は、一般に、高速に行われることが好ましい。そのため、圧縮センシング技術を用いる場合も、観測データの取得や取得した観測データからの画像の構築を含む撮像処理の高速化が望まれている。 Imaging of images and the like is generally preferably performed at high speed. Therefore, even when the compressed sensing technology is used, it is desired to speed up the imaging process including the acquisition of observation data and the construction of an image from the acquired observation data.

本開示は、上記課題を解決するために、撮像処理の速度向上を可能とする撮像装置等を提供することを主たる目的とする。 A main object of the present disclosure is to provide an imaging device or the like capable of improving the speed of imaging processing in order to solve the above problems.

本開示の一態様における撮像装置は、画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、二次元信号が透過する領域に二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられているフィルタと、フィルタを透過した二次元信号のパワーを検出する検出器と、フィルタに結像した二次元信号と二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係とがそれぞれ異なる場合に検出した複数のパワーに基づいて、二次元信号が表す画像を再構築する再構築手段と、を備える。 The image pickup apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a filter having a region through which a two-dimensional signal indicating an image is transmitted, and a portion for blocking at least a part of the two-dimensional signal in the region through which the two-dimensional signal is transmitted. , Detected when the positional relationship between the detector that detects the power of the two-dimensional signal that has passed through the filter and the distribution of the two-dimensional signal that is imaged on the filter and the part that blocks at least a part of the two-dimensional signal is different. It is provided with a reconstruction means for reconstructing the image represented by the two-dimensional signal based on the plurality of powers generated.

また、本開示の一態様における撮像方法は、画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、二次元信号が透過する領域に二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられているフィルタを透過した二次元信号のパワーを検出し、フィルタに結像した二次元信号と二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係とがそれぞれ異なる場合に検出した複数のパワーに基づいて、二次元信号が表す画像を再構築する。 Further, the imaging method according to one aspect of the present disclosure has a region through which the two-dimensional signal indicating the image is transmitted, and a portion for blocking at least a part of the two-dimensional signal is provided in the region through which the two-dimensional signal is transmitted. Multiple powers detected when the power of the two-dimensional signal transmitted through the filter is detected and the positional relationship between the two-dimensional signal imaged on the filter and the distribution of the portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal is different. Based on, the image represented by the two-dimensional signal is reconstructed.

本開示によると、撮像処理の速度向上を可能とする撮像装置等を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide an imaging device or the like capable of improving the speed of imaging processing.

実施形態における撮像装置を示す図である。It is a figure which shows the image pickup apparatus in an embodiment. 実施形態における撮像装置の詳細な構成例を示す図である。It is a figure which shows the detailed configuration example of the image pickup apparatus in embodiment. 実施形態における撮像装置にて用いられる変換行列を求める場合の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example at the time of obtaining the transformation matrix used in the image pickup apparatus in embodiment. フィルタのパターンと変換行列との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a filter pattern and a transformation matrix. 再構築される画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the image to be reconstructed. パワーの観測の際に用いられるフィルタのパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the pattern of the filter used at the time of the observation of power. 図5Aに示す二次元信号と、フィルタのパターンとの位置関係を変化させた例を示す図である。It is a figure which shows the example which changed the positional relationship between the two-dimensional signal shown in FIG. 5A, and the pattern of a filter. 二次元信号とフィルタのパターンとの位置関係の変化が、パターン制御部によって制御される場合の構成例を示す図である。It is a figure which shows the configuration example when the change of the positional relationship between a two-dimensional signal and a pattern of a filter is controlled by a pattern control unit. 二次元信号とフィルタのパターンとの位置関係が変化する場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the case where the positional relationship between a two-dimensional signal and a filter pattern changes. 二次元信号とフィルタのパターンとの位置関係が変化する場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the case where the positional relationship between a two-dimensional signal and a filter pattern changes. 二次元信号とフィルタのパターンとの位置関係が変化する場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the case where the positional relationship between a two-dimensional signal and a filter pattern changes. 実施形態における撮像装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation of the image pickup apparatus in embodiment. 実施形態の変形例における撮像装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image pickup apparatus in the modification of embodiment. シミュレーション例におけるオリジナルの画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the original image in the simulation example. シミュレーション例において再構築される画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the image reconstructed in the simulation example.

本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、実施形態における撮像装置を示す図である。 The embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an imaging device according to an embodiment.

図1に示すとおり、実施形態における撮像装置100は、フィルタ110と、検出器120と、再構築部130とを備える。フィルタ110は、画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、二次元信号が透過する領域に、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられている。検出器120は、フィルタ110を透過した二次元信号のパワーを検出する。再構築部130は、二次元信号とフィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係とがそれぞれ異なる場合に検出した複数の二次元信号のパワーに基づいて、二次元信号が表す画像を再構築する。 As shown in FIG. 1, the image pickup apparatus 100 in the embodiment includes a filter 110, a detector 120, and a reconstruction unit 130. The filter 110 has a region through which a two-dimensional signal showing an image is transmitted, and a portion for blocking at least a part of the two-dimensional signal is provided in the region through which the two-dimensional signal is transmitted. The detector 120 detects the power of the two-dimensional signal that has passed through the filter 110. The reconstruction unit 130 is based on the power of a plurality of two-dimensional signals detected when the positional relationship between the two-dimensional signal and the distribution of the portion blocking at least a part of the two-dimensional signal in the filter 110 is different. Reconstruct the image represented by the dimensional signal.

以下の実施形態において、二次元信号は、例えば、レンズによって結像される可視光線等の光の像である。つまり、二次元信号は、レンズ等の信号を収束させる素子によって収束され、結像する面において、全体又はその一部分で何らかの像を表す信号である。 In the following embodiments, the two-dimensional signal is, for example, an image of light such as visible light imaged by a lens. That is, the two-dimensional signal is a signal that is converged by an element such as a lens that converges the signal, and represents some image on the surface to be imaged as a whole or a part thereof.

撮像装置100は、より具体的な例として、図2に示す構成を備える。図2に示す構成では、撮像装置100は、上述した各要素に加えて、更に、パターン制御部111と、レンズ11と、アイリス12と、散乱媒質13とを備える。図2に示す構成では、二次元信号は、例えば可視光線であることを想定する。 As a more specific example, the image pickup apparatus 100 includes the configuration shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 2, in addition to the above-mentioned elements, the image pickup apparatus 100 further includes a pattern control unit 111, a lens 11, an iris 12, and a scattering medium 13. In the configuration shown in FIG. 2, it is assumed that the two-dimensional signal is, for example, visible light.

撮像装置100によって再構築される画像は、レンズ11によって得られる。レンズによって得られる像は、フィルタ110に結像される。つまり、フィルタ110は、通常、レンズ11によって得られる像が結像する位置に配置される。また、アイリス12及び散乱媒質13は、より高い精度で画像を再構築するために必要に応じて設けられる。アイリス12は雑信号を遮断する。散乱媒質13は、フィルタ110を透過した信号を均質にする。 The image reconstructed by the image pickup apparatus 100 is obtained by the lens 11. The image obtained by the lens is imaged on the filter 110. That is, the filter 110 is usually arranged at a position where the image obtained by the lens 11 is imaged. Further, the iris 12 and the scattering medium 13 are provided as needed in order to reconstruct the image with higher accuracy. The iris 12 blocks miscellaneous signals. The scattering medium 13 homogenizes the signal that has passed through the filter 110.

また、パターン制御部111は、二次元信号と、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係を変化させるようにフィルタ110の制御を行う。以下、本実施形態において、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布を、フィルタ110のパターン又は単にパターンと呼ぶ場合がある。 Further, the pattern control unit 111 controls the filter 110 so as to change the positional relationship between the two-dimensional signal and the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal. Hereinafter, in the present embodiment, the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal may be referred to as a pattern of the filter 110 or simply a pattern.

撮像装置100は、上述した圧縮センシングの技術を用いて画像を再構築する。より詳しくは、フィルタ110のパターンを透過し、検出器120によって検出された信号のパワーに基づいて、信号によって表される画像を再構築する。検出器120によって検出されるパワーの数は、再構築される画像の画素数よりも少ない数である。 The image pickup apparatus 100 reconstructs an image by using the compressed sensing technique described above. More specifically, it passes through the pattern of the filter 110 and reconstructs the image represented by the signal based on the power of the signal detected by the detector 120. The number of powers detected by the detector 120 is less than the number of pixels in the reconstructed image.

画像の再構築は、フィルタ110のパターンに応じて求められた変換行列Dを用いて、圧縮センシングの技術の一つであるADMMアルゴリズムに沿って行われる。以下、変換行列Dを求める手順、及び、当該変換行列Dを用いた、ADMMアルゴリズムに基づく、画像を再構築する手順について説明する。 The image reconstruction is performed according to the ADMM algorithm, which is one of the compressed sensing techniques, using the transformation matrix D obtained according to the pattern of the filter 110. Hereinafter, a procedure for obtaining the transformation matrix D and a procedure for reconstructing an image based on the ADMM algorithm using the transformation matrix D will be described.

なお、以下の変換行列を決定する手順及び画像を再構築する手順の説明においては、二次元信号は可視光線であることを想定する。また、再構築される画像は、一般的な可視光の画像であることを想定する。ただし、後述のように、二次元信号は、可視光線には限られず、可視光線以外の電磁波や、超音波を含む音波といった信号であってもよい。 In the following description of the procedure for determining the transformation matrix and the procedure for reconstructing the image, it is assumed that the two-dimensional signal is visible light. Further, it is assumed that the reconstructed image is a general visible light image. However, as will be described later, the two-dimensional signal is not limited to visible light, and may be a signal such as an electromagnetic wave other than visible light or a sound wave including ultrasonic waves.

最初に、変換行列Dを求める手順について説明する。変換行列Dは、一例として、図3に示す構成を用いて求められる。変換行列Dの行数及び列数は、再構築される画像の画素数に応じて定められる。以下においては、再構築される画像をxとし、画像xは、横がm画素、縦がn画素の画像であると想定する。以下、変換行列Dを求める手順を、キャリブレーション工程又は単にキャリブレーションと呼ぶ場合がある。 First, the procedure for obtaining the transformation matrix D will be described. The transformation matrix D is obtained by using the configuration shown in FIG. 3 as an example. The number of rows and columns of the transformation matrix D is determined according to the number of pixels of the image to be reconstructed. In the following, it is assumed that the image to be reconstructed is x, and the image x is an image having m pixels in the horizontal direction and n pixels in the vertical direction. Hereinafter, the procedure for obtaining the transformation matrix D may be referred to as a calibration step or simply calibration.

図3に示す例において、信号発生器14から発生した信号は、フィルタ110を透過する。そして、フィルタ110を透過した光が二次元信号検出器15にて検出される。フィルタ110は、信号発生器14又は二次元信号検出器15と対向する面に、二次元信号が透過する領域を有する。そして、フィルタ110のこの領域に、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられている。フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位として、二次元信号の一部が遮断され一部が透過する半透過の部位、及び二次元信号が遮断されて透過しない非透過の部位が含まれる。また、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位以外の部位は、二次元信号がそのまま透過する部位であると想定する。これらの詳細については後述する。 In the example shown in FIG. 3, the signal generated from the signal generator 14 passes through the filter 110. Then, the light transmitted through the filter 110 is detected by the two-dimensional signal detector 15. The filter 110 has a region on which a two-dimensional signal is transmitted on a surface facing the signal generator 14 or the two-dimensional signal detector 15. Then, in this region of the filter 110, a portion for blocking at least a part of the two-dimensional signal is provided. As a portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal, a semitransparent portion in which a part of the two-dimensional signal is blocked and a part is transmitted, and a non-transparent portion in which the two-dimensional signal is blocked and not transmitted are included. included. Further, it is assumed that the part other than the part that blocks at least a part of the two-dimensional signal is the part through which the two-dimensional signal is transmitted as it is. Details of these will be described later.

また、図3に示す例では、フィルタ110の二次元信号が透過する領域は、好ましくは、信号発生器14から発生した信号の進行方向と垂直な方向を向くように配置される。 Further, in the example shown in FIG. 3, the region through which the two-dimensional signal of the filter 110 is transmitted is preferably arranged so as to face a direction perpendicular to the traveling direction of the signal generated from the signal generator 14.

信号発生器14は、検出器120にて検出される信号に応じた二次元信号を発生する。信号発生器14は、好ましくは、検出器120によって検出される二次元信号の波長と近い波長の信号を発生させる。例えば、二次元信号が可視光線である場合、信号発生器14は、可視光を発生する。 The signal generator 14 generates a two-dimensional signal corresponding to the signal detected by the detector 120. The signal generator 14 preferably generates a signal having a wavelength close to the wavelength of the two-dimensional signal detected by the detector 120. For example, when the two-dimensional signal is visible light, the signal generator 14 generates visible light.

信号発生器14は、検出器120によって検出される可視光や電磁波等の波長に応じた所望の信号を発生可能であれば、具体的な構成等は特に限定されない。ただし、信号発生器14は、フィルタ110のパターンに対して均一に照射できる、すなわち、パターンの各領域に対して照射される信号のパワーの差がなるべく小さいことが好ましい。 The signal generator 14 is not particularly limited in its specific configuration as long as it can generate a desired signal according to the wavelength of visible light, electromagnetic waves, or the like detected by the detector 120. However, it is preferable that the signal generator 14 can uniformly irradiate the pattern of the filter 110, that is, the difference in power of the signals radiated to each region of the pattern is as small as possible.

二次元信号検出器15は、信号発生器14から発生し、フィルタ110を透過した信号のパワーを計測する。二次元信号検出器15は、詳細を後述する検出器120と異なり、信号の位置毎のパワーを検出する。そのため、二次元信号検出器15として、撮像装置100によって再構築される画像の画素数以上の画素数であるセンサが用いられる。二次元信号検出器15の感度特性は、検出器120の感度特性と近いことが好ましい。 The two-dimensional signal detector 15 measures the power of the signal generated from the signal generator 14 and passed through the filter 110. The two-dimensional signal detector 15 detects the power of each signal position, unlike the detector 120 whose details will be described later. Therefore, as the two-dimensional signal detector 15, a sensor having a pixel count equal to or greater than the pixel count of the image reconstructed by the image pickup apparatus 100 is used. The sensitivity characteristic of the two-dimensional signal detector 15 is preferably close to the sensitivity characteristic of the detector 120.

信号が可視光線である場合には、二次元信号検出器15として、一般的なCCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary metal−oxide−semiconductor)イメージセンサのカメラ等が用いられる。また、二次元信号検出器15として、例えば、信号が紫外線であれば紫外線カメラが、信号が近赤外線であればInGaAs(インジウムガリウムヒ素)カメラが、中遠赤外線であれば熱画像カメラ等が、それぞれ用いられる。二次元信号検出器15の画素数や縦横比を含む画素の配置は、再構築する画像の画素数や画素の配置に応じて定められる。 When the signal is visible light, a camera of a general CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary metal-axis-ometry) image sensor is used as the two-dimensional signal detector 15. Further, as the two-dimensional signal detector 15, for example, an ultraviolet camera if the signal is ultraviolet rays, an InGaAs (indium gallium arsenic) camera if the signal is near infrared rays, a thermal image camera if the signal is mid-far infrared rays, or the like. Used. The arrangement of pixels including the number of pixels and the aspect ratio of the two-dimensional signal detector 15 is determined according to the number of pixels and the arrangement of pixels of the image to be reconstructed.

信号発生器14から発生し、フィルタ110を透過した信号のパワーは、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110の上述したパターンとの位置関係に応じて、画素毎に変化する。つまり、二次元信号検出器15は、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110パターンとの位置関係に応じて画素毎に変化した、信号発生器14からの信号のパワーを検出する。 The power of the signal generated from the signal generator 14 and transmitted through the filter 110 changes for each pixel according to the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the above-mentioned pattern of the filter 110. That is, the two-dimensional signal detector 15 detects the power of the signal from the signal generator 14, which has changed for each pixel according to the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the filter 110 pattern.

また、二次元信号検出器15が検出する信号のパワーは、フィルタ110のパターンや、フィルタ110が回転等することによってフィルタ110のパターンと二次元信号検出器15の画素との位置関係が変化することによって変化する。変換行列Dは、上述のように得られた複数のパワーに基づいて求められる。 Further, the power of the signal detected by the two-dimensional signal detector 15 changes the positional relationship between the pattern of the filter 110 and the pixels of the two-dimensional signal detector 15 due to the rotation of the filter 110 or the like. It changes depending on the situation. The transformation matrix D is obtained based on the plurality of powers obtained as described above.

図3に示す構成を用いた変換行列Dを求める手順について、図4を参照して更に説明する。図4の(A)は、フィルタ110のパターンの例を模式的に示す。図4の(A)に示す例では、フィルタ110のパターンにおいては、画素を単位として、信号が遮断されて透過しない領域は黒い四角で、信号がそのまま透過する領域は白い四角で表されている。 The procedure for obtaining the transformation matrix D using the configuration shown in FIG. 3 will be further described with reference to FIG. FIG. 4A schematically shows an example of the pattern of the filter 110. In the example shown in FIG. 4A, in the pattern of the filter 110, the region where the signal is blocked and does not pass through is represented by a black square, and the region where the signal passes through as it is is represented by a white square in units of pixels. ..

この場合に、まず、信号発生器14が信号を発生し、二次元信号検出器15は、フィルタ110を透過した信号を検出する。二次元信号検出器15によって検出された信号のパワーは、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布に応じて、画素毎に異なる大きさとなる。 In this case, first, the signal generator 14 generates a signal, and the two-dimensional signal detector 15 detects the signal that has passed through the filter 110. The power of the signal detected by the two-dimensional signal detector 15 has a different magnitude for each pixel depending on the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal.

図4の(A)に示す例では、二次元信号検出器15によって検出される画素毎の信号のパワーは、フィルタ110において二次元信号が透過する領域の画素については相対的に大きな値となる。同様に、二次元信号検出器15によって検出される画素毎の信号のパワーは、フィルタ110において二次元信号の少なくとも一部が遮断される部位の画素については相対的に小さな値となる。そして、二次元信号検出器15が検出した画素毎の信号のパワーは、図4の(A)に示す矢印のように並べると、図4の(B)のDに示すように、m×n次元のベクトルとして表される。In the example shown in FIG. 4A, the signal power for each pixel detected by the two-dimensional signal detector 15 is a relatively large value for the pixels in the region where the two-dimensional signal is transmitted in the filter 110. .. Similarly, the signal power for each pixel detected by the two-dimensional signal detector 15 is a relatively small value for the pixel at the portion where at least a part of the two-dimensional signal is blocked by the filter 110. Then, the power of the signal for each pixel detected by the two-dimensional signal detector 15 is arranged as shown by the arrow shown in FIG. 4 (A), and is m × as shown in D 1 of FIG. 4 (B). It is represented as an n-dimensional vector.

なお、図4の(B)に示す例では、信号のパワーは、m×n次元の2値のベクトルとして表される。大きな値のパワーが検出された画素に対応するベクトルの要素は白い四角で、小さな値のパワーが検出された画素に対応するベクトルの要素は黒い四角で表される。 In the example shown in FIG. 4B, the power of the signal is represented as a binary vector of m × n dimensions. The element of the vector corresponding to the pixel in which the power of a large value is detected is represented by a white square, and the element of the vector corresponding to the pixel in which the power of a small value is detected is represented by a black square.

このような画素毎のパワーの検出は、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係が異なる場合の各々に対して繰り返し行われる。二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化は、例えば、二次元信号検出器15の画素と、フィルタ110の特定のパターンとの位置関係を変化させて行われてもよい。また、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化は、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布が異なるフィルタ110を用いることで行われてもよい。 Such power detection for each pixel is repeated for each case where the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 is different. The positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 is changed, for example, by changing the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and a specific pattern of the filter 110. May be good. Further, the change in the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 may be performed by using a filter 110 having a different distribution of portions that block at least a part of the two-dimensional signal.

二次元信号検出器15の画素とフィルタ110の特定のパターンとの位置関係の変化は、例えば、信号が透過する方向を軸にしてフィルタ110を回転させることによって行われる。また、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110の特定のパターンとの位置関係の変化は、信号が透過する方向と交わる方向にフィルタ110を移動させることによって行われてもよい。 The change in the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the specific pattern of the filter 110 is performed, for example, by rotating the filter 110 about the direction in which the signal is transmitted. Further, the change in the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the specific pattern of the filter 110 may be performed by moving the filter 110 in a direction intersecting the direction in which the signal is transmitted.

なお、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化の際には、信号発生器14、フィルタ110及び二次元信号検出器15の位置関係(図3における信号が進む方向での距離等)は変化させないようにする。 When the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 changes, the positional relationship between the signal generator 14, the filter 110, and the two-dimensional signal detector 15 (the signal in FIG. 3 advances). Do not change the distance in the direction, etc.).

図4の(A)には、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させた場合の例が模式的に示されている。そして、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させて繰り返し行われるパワーの検出において、二次元信号検出器15にて検出された画素毎の信号のパワーから、複数のベクトルが求められる。すなわち、二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させてk回のパワーの観測を行うことにより求められたk個のベクトルDからDによって、変換行列Dが構成される。すなわち、変換行列Dの各行は、フィルタ110のあるパターンの二次元信号検出器15との画素に対する特定の位置関係に対して求められたベクトルD(1≦i≦k)である。FIG. 4A schematically shows an example in which the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 is changed. Then, in the power detection that is repeatedly performed by changing the positional relationship between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110, the power of the signal for each pixel detected by the two-dimensional signal detector 15 is used. Multiple vectors are required. That is, D k from k vectors D 1 obtained by performing the positional relationship by changing the k times of power observed between the pattern of pixels and the filter 110 of the two-dimensional signal detector 15, the transform matrix D Is configured. That is, each row of the transformation matrix D is a vector D i (1 ≦ i ≦ k) obtained for a specific positional relationship with respect to the pixel with the two-dimensional signal detector 15 of a certain pattern of the filter 110.

次に、ADMMアルゴリズムに基づく、画像を再構築する手順を説明する。この場合には、上述した手順によって求められた変換行列Dが用いられる。また、以下の手順において、再構築される画像xは、上述のように、横がm画素、縦がn画素の画像であることを想定する。 Next, the procedure for reconstructing the image based on the ADMM algorithm will be described. In this case, the transformation matrix D obtained by the above procedure is used. Further, in the following procedure, it is assumed that the image x to be reconstructed is an image having m pixels in the horizontal direction and n pixels in the vertical direction as described above.

撮像装置100においては、フィルタ110のパターンを透過し、検出器120で検出された、二次元信号のパワーが複数用いられる。複数の二次元信号のパワーは、それぞれ、検出器120によって、二次元信号と、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係を変化させて検出されたパワーである。 In the image pickup apparatus 100, a plurality of powers of two-dimensional signals transmitted through the pattern of the filter 110 and detected by the detector 120 are used. The power of the plurality of two-dimensional signals is the power detected by the detector 120 by changing the positional relationship between the two-dimensional signal and the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal. is there.

撮像装置100による画像の再構築に際しては、フィルタ110を、変換行列Dを求める場合と同様の状態にして、k回の二次元信号のパワーの観測が行われる。つまり、検出器120が二次元信号のパワーを検出する場合には、変換行列Dを求める場合と同じパターンのフィルタ110が用いられる。また、k回の二次元信号のパワーの観測の各々において、フィルタ110と二次元信号との位置関係は、フィルタ110と二次元信号検出器15の二次元信号と対応する画素との位置関係と同じ位置関係とされる。 When the image is reconstructed by the image pickup apparatus 100, the power of the two-dimensional signal is observed k times by setting the filter 110 in the same state as in the case of obtaining the transformation matrix D. That is, when the detector 120 detects the power of the two-dimensional signal, the filter 110 having the same pattern as that for obtaining the transformation matrix D is used. Further, in each of the k power observations of the two-dimensional signal, the positional relationship between the filter 110 and the two-dimensional signal is the positional relationship between the two-dimensional signal of the filter 110 and the two-dimensional signal detector 15 and the corresponding pixel. It has the same positional relationship.

k回のパワーの観測が行われる例を図5A、図5B、図5Cを用いて説明する。図5Aは、再構築される画像の例を示す。この像を表す光線がレンズ11にて収束される。図5Bは、パワーの観測の際に用いられるフィルタ110のパターンの例を示す。図5Cは、図5Aに示す二次元信号と、フィルタ110のパターンとの位置関係を変化させた例を示す。すなわち、図5Bに示すフィルタ110を用いて図5Aに示す像を表す画像を再構築する場合には、一例として、図5Cに示すように、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させてパワーの観測が行われる。 An example in which the power is observed k times will be described with reference to FIGS. 5A, 5B, and 5C. FIG. 5A shows an example of a reconstructed image. The light rays representing this image are converged by the lens 11. FIG. 5B shows an example of the pattern of the filter 110 used when observing the power. FIG. 5C shows an example in which the positional relationship between the two-dimensional signal shown in FIG. 5A and the pattern of the filter 110 is changed. That is, when the image representing the image shown in FIG. 5A is reconstructed using the filter 110 shown in FIG. 5B, as an example, as shown in FIG. 5C, the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 is determined. The power is observed by changing it.

なお、本実施形態において、検出器120は、二次元信号のパワーの分布等の位置情報を検出せず、信号のパワーのみを検出する検出器である。そのため、検出器120によって検出される二次元信号のパワーは、フィルタ110を透過した場合における、再構築しようとする画像の全ての画素の信号強度の和となる。 In this embodiment, the detector 120 is a detector that does not detect position information such as the power distribution of a two-dimensional signal, but only detects the power of the signal. Therefore, the power of the two-dimensional signal detected by the detector 120 is the sum of the signal intensities of all the pixels of the image to be reconstructed when passing through the filter 110.

この場合に、撮像装置100によって再構築される画像xについて、変換行列Dのいずれかの行を構成するベクトルDに対応するパターンに対して検出器120によって検出される信号のパワーjは、以下の(1)式のような関係にて表される。

Figure 2019181969
In this case, the image x is reconstructed by the imaging device 100, a power j i of the signal detected by detector 120 with respect to the pattern corresponding to the vector D i constituting one of the rows of the transform matrix D , It is expressed by the relationship as shown in the following equation (1).
Figure 2019181969

(1)式において、d は、上述したベクトルDに含まれるm×n個の要素を表し、xは、画像xに含まれるm×n個の画素の各々の強度を表す値を、順に整列して並べた値を表す。d とxは、それぞれ画像において対応する位置における値である。(1) In the formula, d i k denotes the (m × n) of elements in the vector D i as described above, x k is a value representing the intensity of each of the m × n pixels included in the image x Represents the values arranged in order. d i k and x k are values at corresponding positions in the respective images.

検出器120による信号のパワーの検出を、変換行列Dのいずれかの行に相当するDからDの各々に対応するパターンに対して行う場合を想定する。この場合に、DからDの各々に対して検出されたk個の信号のパワーjについてのベクトルJに関して、以下の(2)式の関係が得られる。

Figure 2019181969
It is assumed that the detection of the signal power by the detector 120 is performed on the patterns corresponding to each of D 1 to D k corresponding to any row of the transformation matrix D. In this case, the relationship of the following equation (2) can be obtained with respect to the vector J for the power j i of the k signals detected for each of D 1 to D k .
Figure 2019181969

(2)式のD、x及びJの各々について、添字は、各々を表す行列の要素数を示す。Dk×mnは、k行×(m×n)列の変換行列である。すなわち、変換行列Dk×mnは、(m×n)個の要素をそれぞれ含むk個のベクトルD(i=1〜k)で構成される。xmn×1は、(m×n)行のベクトルである。Jk×1はk行のベクトルである。以下説明において、添字が付されないD、x及びJの各々は、上記と同じ内容を表す。For each of D, x and J in Eq. (2), the subscript indicates the number of elements in the matrix representing each. D k × mn is a transformation matrix of k rows × (m × n) columns. That is, the transformation matrix D k × mn is composed of k vectors D i (i = 1 to k) including (m × n) elements, respectively. x mn × 1 is a vector of (m × n) rows. J k × 1 is a vector of k rows. In the following description, each of D, x and J without a subscript represents the same content as above.

圧縮センシングにおいては、画像を再構築するために、以下の(3)式に示す最小化問題の解が求められる。すなわち、(3)式のL1ノルム解を求めることにより、上述したk個の信号のパワーの検出結果から、画像xが再構築される。

Figure 2019181969
In compressed sensing, a solution to the minimization problem shown in Eq. (3) below is required to reconstruct an image. That is, by obtaining the L1 norm solution of Eq. (3), the image x is reconstructed from the detection result of the power of the k signals described above.
Figure 2019181969

(3)式において、||x||は、xのL1ノルムを表す。In equation (3), || x || 1 represents the L1 norm of x.

上述した解は、ADMMアルゴリズムを用いて求められる。まず、以下の(4)式で表されるコスト関数を考慮する。

Figure 2019181969
The above solution is obtained using the ADMM algorithm. First, consider the cost function expressed by the following equation (4).
Figure 2019181969

(4)式は、ラグランジュ未定乗数法におけるコスト関数である。また、(4)式において、νは、ラグランジュ未定乗数を表す。 Equation (4) is a cost function in the Lagrange undetermined multiplier method. Further, in equation (4), ν represents a Lagrange undetermined multiplier.

(3)式において、L1ノルムについてのxとその他のxとを区別するため、新たな変数zを導入する。(4)式に示されるL(x)を最小化する問題は、以下の(5)式に示す条件付の最小化問題に置き換えられる。(5)式において、λは、ラグランジュ未定乗数法のコスト係数を示す。

Figure 2019181969
In equation (3), a new variable z is introduced to distinguish x for the L1 norm from other x. The problem of minimizing L (x) shown in Eq. (4) is replaced by the conditional minimization problem shown in Eq. (5) below. In equation (5), λ represents the cost coefficient of the Lagrange undetermined multiplier method.
Figure 2019181969

そして、拡張ラグランジュ法の手続に沿って、以下の(6)式に示される新たなコスト関数が最小化される。

Figure 2019181969
Then, according to the procedure of the extended Lagrange method, the new cost function shown in the following equation (6) is minimized.
Figure 2019181969

(6)式において、u[t]は、制約付最適化問題を適当な初期点から反復計算を行う勾配法により解く際に、最適解に収束させる補助項を示す。(6)式をxについて微分すると、以下の(7)式が得られる。

Figure 2019181969
In equation (6), u [t] indicates an auxiliary term that converges to the optimum solution when the constrained optimization problem is solved by the gradient method that iteratively calculates from an appropriate initial point. When the equation (6) is differentiated with respect to x, the following equation (7) is obtained.
Figure 2019181969

(7)式を0とするxとして、以下の(8)式が得られる。

Figure 2019181969
The following equation (8) is obtained, where x is set to equation (7).
Figure 2019181969

(8)式のように得られたxを、元の(6)式へ代入すると、(6)式は、以下の(9)式のような形となる。

Figure 2019181969
Substituting x obtained as in Eq. (8) into the original Eq. (6), Eq. (6) becomes as in Eq. (9) below.
Figure 2019181969

(9)式は、νに関して2次関数であると考えることができる。そのため、(9)式が最小化される最適解は、以下の(10)式にて表される。

Figure 2019181969
Equation (9) can be considered to be a quadratic function with respect to ν. Therefore, the optimum solution that minimizes the equation (9) is expressed by the following equation (10).
Figure 2019181969

得られた(10)式を(8)式へ代入すると、以下の(11)式が得られる。

Figure 2019181969
By substituting the obtained equation (10) into the equation (8), the following equation (11) is obtained.
Figure 2019181969

上述した、反復計算を行う勾配法により求められる。(11)式に対して、勾配法を適用すると、x、z及びuに対して、反復計算のt+1回目の値を示す式として、以下の(12)式として示す式が得られる。

Figure 2019181969

ただし
Figure 2019181969
It is obtained by the gradient method for iterative calculation described above. When the gradient method is applied to the equation (11), the following equation (12) is obtained as an equation showing the t + 1th value of the iterative calculation for x, z and u.
Figure 2019181969

However
Figure 2019181969

本実施形態において、反復計算は、一回のみ行う場合を想定する。この場合には、z[t+1]及びu[t+1]は、考慮の必要がなくなる。また、z[t]及びu[t]の初期化が必要となるが、z[0]及びu[0]は、0であってもよい。そのため、再構築される画像xとして、以下の(13)式が得られる。

Figure 2019181969
In this embodiment, it is assumed that the iterative calculation is performed only once. In this case, z [t + 1] and u [t + 1] do not need to be considered. Further, although it is necessary to initialize z [t] and u [t], z [0] and u [0] may be 0. Therefore, the following equation (13) is obtained as the image x to be reconstructed.
Figure 2019181969

一方、ADMMアルゴリズムは、スパース性が期待できる基底が、ある変換を通して見つかる場合に、大きな効果を発揮する。信号がスパースであるとは、信号の多くの成分が0であるという性質を意味する。そのため、画像xの再構築においては、一般に、xを、スパース性を有する空間へ変換する必要がある。つまり、スパース性を有する空間において画像が再構築される。 On the other hand, the ADMM algorithm is very effective when a basis that can be expected to be sparsity is found through a certain transformation. When a signal is sparse, it means that many components of the signal are zero. Therefore, in reconstructing the image x, it is generally necessary to convert x into a space having sparsity. That is, the image is reconstructed in a space having sparsity.

スパース化は、例えば、画像xを離散フーリエ変換又はウェーブレット変換することで実現される。そこで、以下の(14)式に示すように、スパース変換行列Φを用いて、画像xをスパース化する。スパース変換行列Φは、例えば、離散フーリエ変換行列又はウェーブレット変換行列のいずれかである。そして、上述したADMMアルゴリズムにより、Qが求められる。

Figure 2019181969
Sparsification is realized, for example, by performing a discrete Fourier transform or a wavelet transform on the image x. Therefore, as shown in the following equation (14), the image x is sparsed by using the sparse transformation matrix Φ. The sparse transformation matrix Φ is, for example, either a discrete Fourier transform matrix or a wavelet transformation matrix. Then, Q is obtained by the ADMM algorithm described above.
Figure 2019181969

(14)式は、スパース変換行列Φの逆行列Φ−1を用いて、以下の(15)式に示す形に変換される。

Figure 2019181969
Equation (14) is transformed into the form shown in equation (15) below using the inverse matrix Φ -1 of the sparse transformation matrix Φ.
Figure 2019181969

また、(15)式は(2)式に示す関係を用いて、更に以下の(16)式に示す形に変換される。

Figure 2019181969
Further, the equation (15) is further converted into the form shown in the following equation (16) by using the relation shown in the equation (2).
Figure 2019181969

スパース変換行列Φが離散フーリエ変換又はウェーブレット変換行列である場合には、Φの共役転置行列を添字の+で表し、Φとすると、ΦとΦとは互いに逆行列となる。
そのため、(16)式から、以下の(17)式が得られる。

Figure 2019181969
When sparse transformation matrix [Phi is the discrete Fourier transform or wavelet transform matrix represents the conjugate transpose matrix of [Phi subscript +, if the [Phi +, the [Phi and [Phi + The inverse to each other.
Therefore, the following equation (17) can be obtained from the equation (16).
Figure 2019181969

(17)式において、未知数はQとなる。そこで、下記の(18)式に示すようにL1ノルムの最小解を求めることにより、Qの近似解Q”を求める。

Figure 2019181969
In equation (17), the unknown is Q. Therefore, the approximate solution Q ”of Q is obtained by obtaining the minimum solution of the L1 norm as shown in the following equation (18).
Figure 2019181969

(18)式に対しては、上述した(3)式に対して(16)式を得た例と同様にして、以下の(19)式が得られる。

Figure 2019181969
With respect to the equation (18), the following equation (19) can be obtained in the same manner as in the example in which the equation (16) is obtained with respect to the equation (3) described above.
Figure 2019181969

(19)式において、Pは、(D'k×mn・Ф+)+・inv[(D'k×mn・Ф+)・(D'k×mn・Ф+)+]を表す。In equation (19), P represents (D' k × mn・ Ф + ) +・ inv [(D' k × mn・ Ф + ) ・ (D' k × mn・ Ф + ) + ].

すなわち、Qの近似解であるQ”を求め、求めたQ”と上述したФを用いることにより、再構築の対象となる画像xが求められる。That is, the image x to be reconstructed can be obtained by obtaining Q "which is an approximate solution of Q and using the obtained Q" and the above-mentioned Ф + .

二次元信号検出器15又は検出器120による観測回数kは、一般に、再構築される画像xの画素数であるm×nと比較して少ない回数でよい。例えば、上述したスパース化が適切に行われる場合には、二次元信号検出器15又は検出器120による観測回数は、画素数の数%(パーセント)程度であってもよい。すなわち、撮像装置100は、圧縮センシングの一手法であるADMMアルゴリズムを用いることにより、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させて得られる少ない観測データからの画像の再構築を可能とする。 The number of observations k by the two-dimensional signal detector 15 or the detector 120 may generally be smaller than m × n, which is the number of pixels of the reconstructed image x. For example, when the above-mentioned sparsification is appropriately performed, the number of observations by the two-dimensional signal detector 15 or the detector 120 may be about a few percent (percentage) of the number of pixels. That is, the image pickup apparatus 100 can reconstruct an image from a small amount of observation data obtained by changing the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 by using the ADMM algorithm which is a method of compressed sensing. And.

なお、二次元信号検出器15又は検出器120による観測回数kは、上述した例に限られず、再構築される画像に求められる画質やスパース化の程度に応じて適宜定められる。 The number of observations k by the two-dimensional signal detector 15 or the detector 120 is not limited to the above-mentioned example, and is appropriately determined according to the image quality required for the reconstructed image and the degree of sparsification.

続いて、本実施形態における撮像装置100の各要素の詳細を説明する。 Subsequently, the details of each element of the image pickup apparatus 100 in the present embodiment will be described.

レンズ11は、撮像装置100によって再構築される画像を結像する。レンズ11は、フィルタ110に画像を結像するように配置される。 The lens 11 forms an image reconstructed by the image pickup apparatus 100. The lens 11 is arranged on the filter 110 so as to form an image.

二次元信号が可視光線である場合には、レンズ11は、例えば一般的な光学レンズである。なお、図2において、レンズ11は一枚のレンズとして図示されているが、レンズ11はこれに限られない。レンズ11は、複数のレンズによって構成されてもよい。レンズ11の具体的な構成は、フィルタ110の構成や、検出器120の構成又は種類等といった条件に応じて、適宜定められる。 When the two-dimensional signal is visible light, the lens 11 is, for example, a general optical lens. Although the lens 11 is shown as a single lens in FIG. 2, the lens 11 is not limited to this. The lens 11 may be composed of a plurality of lenses. The specific configuration of the lens 11 is appropriately determined according to conditions such as the configuration of the filter 110 and the configuration or type of the detector 120.

また、二次元信号が、可視光線以外の電磁波や音波である場合には、信号の種類に応じて、二次元信号を収束させる適切な構成がレンズ11として用いられる。例えば、レンズ11として、反射鏡が用いられてもよい。 Further, when the two-dimensional signal is an electromagnetic wave or a sound wave other than visible light, an appropriate configuration for converging the two-dimensional signal is used as the lens 11 according to the type of signal. For example, a reflector may be used as the lens 11.

アイリス12及び散乱媒質13は、上述のように、撮像装置100によるより高い精度での画像の再構築のために、必要に応じて設けられる。 As described above, the iris 12 and the scattering medium 13 are provided as necessary for the reconstruction of the image with higher accuracy by the image pickup apparatus 100.

アイリス12は、レンズにより集められる信号に含まれる雑信号を遮断する。一例として、二次元信号が可視光線である場合には、アイリス12として、一般的な光学レンズの絞り機構が用いられる。 The iris 12 blocks miscellaneous signals included in the signal collected by the lens. As an example, when the two-dimensional signal is visible light, a general optical lens diaphragm mechanism is used as the iris 12.

また、散乱媒質13は、検出器120に向かう信号のうち、レンズ11によって収束されていないオフフォーカスの信号を分散させる。散乱媒質13が設けられることにより、レンズ11によって収束された二次元信号が、検出器120に向かう方向に対して均一化される。散乱媒質13として、例えば曇りガラスや、アルミナ等の微粒子の塊等が、二次元信号の種類に応じて用いられる。 Further, the scattering medium 13 disperses the off-focus signal that is not converged by the lens 11 among the signals directed to the detector 120. By providing the scattering medium 13, the two-dimensional signal converged by the lens 11 is made uniform with respect to the direction toward the detector 120. As the scattering medium 13, for example, frosted glass, a lump of fine particles such as alumina, or the like is used depending on the type of the two-dimensional signal.

また、散乱媒質13は、図2に示すように、検出器120が信号を検出する面と密着させることが好ましい。このような構成とすることで、検出器120の検出面からの二次元信号の反射によるパワーの損失が軽減される。 Further, as shown in FIG. 2, the scattering medium 13 is preferably brought into close contact with the surface on which the detector 120 detects a signal. With such a configuration, the loss of power due to the reflection of the two-dimensional signal from the detection surface of the detector 120 is reduced.

アイリス12及び散乱媒質13が設けられることにより、検出器120によって検出される信号に含まれるノイズの除去や、検出器120によって検出される二次元信号のパワーの損失の軽減等が可能となる。これにより、検出器120によって検出される二次元信号のパワーの検出精度が向上する。そして、より高画質での画像の再構築が可能となる。 By providing the iris 12 and the scattering medium 13, it is possible to remove noise contained in the signal detected by the detector 120, reduce the power loss of the two-dimensional signal detected by the detector 120, and the like. As a result, the detection accuracy of the power of the two-dimensional signal detected by the detector 120 is improved. Then, the image can be reconstructed with higher image quality.

なお、アイリス12及び散乱媒質13の各々は、必要に応じて設けられる。アイリス12及び散乱媒質13の一方又は両方は、検出対象となる二次元信号の種類、その他の構成要素との関係や、再構築される画像に対して求められる画質等の状況によっては、設けられなくてもよい。 Each of the iris 12 and the scattering medium 13 is provided as needed. One or both of the iris 12 and the scattering medium 13 may be provided depending on the type of the two-dimensional signal to be detected, the relationship with other components, the image quality required for the reconstructed image, and the like. It does not have to be.

フィルタ110は、二次元信号が透過する領域を有する。そして、フィルタ110の当該領域には、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位(つまり、他の部位と二次元信号の透過率が異なる部位)が設けられている。撮像装置100において、フィルタ110は、レンズ11によって画像が結像される位置に配置される。 The filter 110 has a region through which a two-dimensional signal is transmitted. Then, in the region of the filter 110, a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal (that is, a portion that has a different transmittance of the two-dimensional signal from other portions) is provided. In the image pickup apparatus 100, the filter 110 is arranged at a position where an image is formed by the lens 11.

本実施形態において、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布は特に制限されない。つまり、フィルタ110においては、任意の透過率の部位が任意の場所に設けられている。フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位は、再構築される画像の画素と対応して設けられてもよいし、画素と関係なく設けられてもよい。 In the present embodiment, the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal is not particularly limited. That is, in the filter 110, a portion having an arbitrary transmittance is provided at an arbitrary place. The portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal may be provided corresponding to the pixel of the image to be reconstructed, or may be provided independently of the pixel.

フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位及びその分布について、更に説明する。 The portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal and its distribution will be further described.

なお、フィルタ110の二次元信号が透過する領域において、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位以外の部位では、二次元信号は遮断されずに透過する。すなわち、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位以外の部位においては、二次元信号は、フィルタ110の材質に応じた透過率にてフィルタ110を透過する。 In the region where the two-dimensional signal of the filter 110 is transmitted, the two-dimensional signal is transmitted without being blocked at a portion other than a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal. That is, in a portion other than a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal, the two-dimensional signal passes through the filter 110 at a transmittance according to the material of the filter 110.

フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位としては、非透過の部位、又は半透過の部位が含まれる。非透過の部位においては、二次元信号は遮断されて透過しないか、二次元信号が実質的に透過しないとして扱える程度に低い透過率の部位が非透過の部位とされてもよい。半透過の部位においては、二次元信号は、一部が遮断され、残りが透過する。半透過の部位において、二次元信号の透過率は特に制限されない。また、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位として、複数の半透過の部位が含まれる場合には、各々の部位における二次元信号の透過率は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。検出器120の感度分解能に応じた範囲で、透過率がより多くの段階となるように半透過の部位が設けられることにより、ノイズの少ない画像の再構築が可能となる。 The portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal includes a non-transmissive portion or a semi-transparent portion. In the non-transmissive portion, the two-dimensional signal may be blocked and not transmitted, or a portion having a transmittance low enough to be treated as substantially non-transparent of the two-dimensional signal may be regarded as the non-transmissive portion. At the semitransparent site, part of the two-dimensional signal is blocked and the rest is transmitted. The transmittance of the two-dimensional signal is not particularly limited in the semitransparent portion. Further, when a plurality of semitransparent parts are included as the parts that block at least a part of the two-dimensional signal in the filter 110, the transmittance of the two-dimensional signal at each part may be the same. , May be different. By providing a semi-transmissive portion so that the transmittance has more stages within the range corresponding to the sensitivity resolution of the detector 120, it is possible to reconstruct an image with less noise.

また、フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布には、周期性があってもよいし、擬似的にランダムな分布、周期性がないランダムな分布であってもよい。 Further, the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal may have periodicity, a pseudo-random distribution, or a random distribution without periodicity.

フィルタ110における二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布に周期性がある場合には、再構築される画像には、当該周期に応じたノイズが現れる場合がある。そのため、パターンにおける透過率の変化は、完全にランダムな変化であることが最も好ましく、少なくとも、単純な解析式の重ね合わせ以外の形で表される擬似ランダムな変化であることが好ましい。単純な解析式の重ね合わせには、例えば、周波数が数種類程度の三角関数の和や積、又はこれらの線形加算等が含まれる。パターンにおける透過率の変化がランダム又は擬似ランダムであることで、透過率の変化に周期性がある場合等と比較して、ノイズの少ない画像の再構築が可能となる。 If the distribution of the portion of the filter 110 that blocks at least a part of the two-dimensional signal has periodicity, noise corresponding to the period may appear in the reconstructed image. Therefore, the change in transmittance in the pattern is most preferably a completely random change, and at least a pseudo-random change expressed in a form other than the superposition of simple analysis formulas. The superposition of simple analysis formulas includes, for example, the sum or product of trigonometric functions having several kinds of frequencies, or the linear addition of these. Since the change in transmittance in the pattern is random or pseudo-random, it is possible to reconstruct an image with less noise as compared with the case where the change in transmittance has periodicity.

フィルタ110は、二次元信号が可視光線である場合には、ガラス等の光に対して透過量が調整できる材料が用いられる。ガラスの表面に透過率を低下させる模様を適宜選択された手法により形成することによって、パターンが設けられる。また、二次元信号が可視光線以外の電磁波である場合には、フィルタ110として、例えば金属材料等が用いられる。二次元信号が音波である場合には、フィルタ110として、例えば、メタルマスクといった音響インピーダンスを変化させる材料が用いられる。 When the two-dimensional signal is visible light, the filter 110 is made of a material such as glass whose transmission amount can be adjusted with respect to light. A pattern is provided by forming a pattern on the surface of the glass that reduces the transmittance by an appropriately selected method. When the two-dimensional signal is an electromagnetic wave other than visible light, a metal material or the like is used as the filter 110. When the two-dimensional signal is a sound wave, a material that changes the acoustic impedance, such as a metal mask, is used as the filter 110.

また、撮像装置100においては、上述のように、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させて検出されたパワーに基づいて、画像が再構築される。そして、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化には、二次元信号とフィルタ110の特定のパターンと二次元信号との位置関係を変化させることによって行われる。そこで、パターン制御部111は、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化するように、フィルタ110の位置を制御する。 Further, in the image pickup apparatus 100, as described above, the image is reconstructed based on the power detected by changing the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110. The change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 is performed by changing the positional relationship between the two-dimensional signal, the specific pattern of the filter 110, and the two-dimensional signal. Therefore, the pattern control unit 111 controls the position of the filter 110 so that the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes.

上述のように、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化は、例えば、二次元信号が透過する方向を軸にしてフィルタ110を回転させることによって行われる。また、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化は、信号が透過するフィルタの平面において任意の面内方向にフィルタ110を移動させてもよい。例えば、信号を透過する方向は光軸方向であり、光軸方向をz方向としたときに、パターンとの位置関係の変化はx−y平面の中の任意方向である。そこで、パターン制御部111は、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係を変化させるように、フィルタ110の位置を変化させる制御を行う。 As described above, the change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 is performed, for example, by rotating the filter 110 about the direction in which the two-dimensional signal is transmitted. Further, the change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 may cause the filter 110 to be moved in any in-plane direction on the plane of the filter through which the signal is transmitted. For example, the direction in which the signal is transmitted is the optical axis direction, and when the optical axis direction is the z direction, the change in the positional relationship with the pattern is an arbitrary direction in the xy plane. Therefore, the pattern control unit 111 controls to change the position of the filter 110 so as to change the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110.

なお、パターン制御部111による二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係は、変換行列Dを求める場合におけるフィルタ110のパターンと二次元信号検出器15の画素との位置関係と同じとなるように制御される。 The positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 by the pattern control unit 111 is the same as the positional relationship between the pattern of the filter 110 and the pixels of the two-dimensional signal detector 15 when obtaining the transformation matrix D. Is controlled by.

図6は、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化するように、パターン制御部111によってフィルタ110の位置が制御される場合の構成例を示す。図6に示す例では、フィルタ110の二次元信号が透過する一方の面に対向して、散乱媒質13及び検出器120が配置されている。すなわち、図6に示す例では、フィルタ110の散乱媒質13と対向する面と反対側から二次元信号がフィルタ110へ入射し、フィルタ110のパターンが描かれた面に結像することが想定される。 FIG. 6 shows a configuration example in which the position of the filter 110 is controlled by the pattern control unit 111 so that the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes. In the example shown in FIG. 6, the scattering medium 13 and the detector 120 are arranged so as to face one surface through which the two-dimensional signal of the filter 110 is transmitted. That is, in the example shown in FIG. 6, it is assumed that a two-dimensional signal is incident on the filter 110 from the side opposite to the surface of the filter 110 facing the scattering medium 13, and an image is formed on the surface on which the pattern of the filter 110 is drawn. To.

また、図6に示す例において、フィルタ110には、回転軸112が設けられている。つまり、フィルタ110は、回転軸112を中心として回転可能な構成となっている。そして、パターン制御部111は、二次元信号がレンズ11によって結像される位置において、フィルタ110を回転せることにより、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化するように制御する。 Further, in the example shown in FIG. 6, the filter 110 is provided with a rotating shaft 112. That is, the filter 110 is configured to be rotatable about the rotation shaft 112. Then, the pattern control unit 111 controls so that the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes by rotating the filter 110 at the position where the two-dimensional signal is imaged by the lens 11.

なお、フィルタ110の移動は、図6に示す例に限られない。フィルタ110の移動によって、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化する場合の例について、図7A、図7B、図7Cを用いて説明する。なお、図7A、図7B、図7Cの各々において、白黒の模様がフィルタ110に設けられたパターンである。この場合において、フィルタ110の黒く描かれた領域は、上述した非透過の部位であり、フィルタ110の白く描かれた領域は、二次元信号がそのまま透過する部位であると想定する。また、図7A、図7B、図7Cの各々において、顔は、再構築される画像であると想定する。 The movement of the filter 110 is not limited to the example shown in FIG. An example in which the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes due to the movement of the filter 110 will be described with reference to FIGS. 7A, 7B, and 7C. In each of FIGS. 7A, 7B, and 7C, a black-and-white pattern is a pattern provided on the filter 110. In this case, it is assumed that the black region of the filter 110 is the non-transparent region described above, and the white region of the filter 110 is the region through which the two-dimensional signal is transmitted as it is. Further, in each of FIGS. 7A, 7B, and 7C, it is assumed that the face is a reconstructed image.

図7Aにおいては、フィルタ110のパターンは、再構築される画像である顔の中心部分を軸とするようにして回転する。また、図7Bにおいては、また、再構築される画像である顔は、パターンの中心から外れた箇所に位置するようにフィルタ110が配置される。そして、フィルタ110のパターンは、パターンの中心部分を軸とするようにして回転する。更に、図7Cにおいては、フィルタ110は、回転しつつ、パターンが設けられた面に沿った方向に移動する。 In FIG. 7A, the pattern of the filter 110 rotates about the central portion of the face, which is the image to be reconstructed. Further, in FIG. 7B, the filter 110 is arranged so that the face, which is the image to be reconstructed, is located at a position deviated from the center of the pattern. Then, the pattern of the filter 110 rotates about the central portion of the pattern as an axis. Further, in FIG. 7C, the filter 110 moves in a direction along a surface provided with a pattern while rotating.

パターン制御部111は、図6に示した例に限らず、図7A、図7B、図7Cに示すようにフィルタ110の位置を制御してもよい。パターン制御部111によるフィルタ110の位置の制御は、これらの例に限られない。そして、これらの例に示すように、フィルタ110を回転又は移動させつつ検出器120が二次元信号のパワーを検出することにより、画像の再構築に必要となる複数の二次元信号のパワーが高速に検出可能となる。 The pattern control unit 111 is not limited to the example shown in FIG. 6, and may control the position of the filter 110 as shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C. The control of the position of the filter 110 by the pattern control unit 111 is not limited to these examples. Then, as shown in these examples, the detector 120 detects the power of the two-dimensional signal while rotating or moving the filter 110, so that the power of the plurality of two-dimensional signals required for image reconstruction is high. Can be detected.

なお、パターン制御部111による具体的な位置の制御の手法や、フィルタ110の位置を変化させる機構については、公知の手法や機構が適宜用いられる。 As a method for controlling a specific position by the pattern control unit 111 and a mechanism for changing the position of the filter 110, a known method or mechanism is appropriately used.

また、二次元信号とパターンとの位置関係の変化に周期性がある場合には、再構築される画像に周期性に応じたノイズが表れる場合がある。したがって、二次元信号とパターンとの位置関係の変化は、フィルタ110のパターンにおける透過率の変化と同様に、周期性がないランダムな変化、またはランダムな変化に近い変化であることが好ましい。 Further, when the change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern has periodicity, noise corresponding to the periodicity may appear in the reconstructed image. Therefore, it is preferable that the change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern is a random change without periodicity or a change close to a random change, similar to the change in the transmittance in the pattern of the filter 110.

例えば、図7A、図7B、図7Cにおいて、図7Aに示す場合には、パターンの回転の中心となる、顔の中心部分を軸とした、円周状のノイズが生じることが想定される。また、図7Bに示す例では、パターンの回転の中心部分を軸として、扇形のノイズが生じることが想定される。これに対して、図7Cでは、パターンの移動方向に応じたノイズが生じるが、生じるノイズは、図7A又は図7Bの例と比較して小さくなる、又は周期性が小さく目立たないノイズとなることが想定される。そのため、図7A、図7B、図7Cの例において、再構築される画像に含まれるノイズを少なくする又は目立たないものとするためには、図7Cに示す例に示すようにフィルタ110を移動させることが好ましい。 For example, in FIGS. 7A, 7B, and 7C, in the case shown in FIG. 7A, it is assumed that circumferential noise is generated around the central portion of the face, which is the center of rotation of the pattern. Further, in the example shown in FIG. 7B, it is assumed that fan-shaped noise is generated around the central portion of the rotation of the pattern. On the other hand, in FIG. 7C, noise is generated according to the moving direction of the pattern, but the generated noise is smaller than that of the example of FIG. 7A or FIG. 7B, or is less periodic and inconspicuous. Is assumed. Therefore, in the examples of FIGS. 7A, 7B, and 7C, in order to reduce or make the noise contained in the reconstructed image inconspicuous, the filter 110 is moved as shown in the example shown in FIG. 7C. Is preferable.

また、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化は、上述のように、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布が異なるフィルタ110を用いて行われてもよい。例えば、フィルタ110に二次元信号の透過率が異なる部位を変化させる機構が設けられている場合には、当該機構によって、フィルタ110の二次元信号が透過する領域における少なくとも一部を遮断する部位の分布を変化させてもよい。また、複数のフィルタ110を用いることによって、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係の変化が行われてもよい。 Further, as described above, the change in the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 may be performed by using the filter 110 having a different distribution of the portions that block at least a part of the two-dimensional signal. For example, when the filter 110 is provided with a mechanism for changing a portion having a different two-dimensional signal transmittance, the mechanism blocks at least a part of the region through which the two-dimensional signal is transmitted of the filter 110. The distribution may be changed. Further, by using a plurality of filters 110, the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 may be changed.

検出器120は、上述のように、フィルタ110を透過した二次元信号のパワーを検出する。検出器120として、二次元信号の波長やその他の条件に応じて、特定の波長又は波長帯の可視光や電磁波のパワーを検出する一般的な検出器が適宜用いられる。 As described above, the detector 120 detects the power of the two-dimensional signal that has passed through the filter 110. As the detector 120, a general detector that detects the power of visible light or electromagnetic waves of a specific wavelength or wavelength band is appropriately used depending on the wavelength of the two-dimensional signal and other conditions.

本実施形態において、検出器120は、信号のパワーの大きさを検出する。すなわち、検出器120は、信号のパワーの分布等の位置情報を検出しなくてもよい。検出器120は、1画素のセンサであればよく、アレイ状のセンサのように、二次元信号のパワーの位置情報を検出するセンサである必要はない。撮像装置100は、検出する波長帯等によっては高価な場合があるアレイ状等のセンサを用いることなく、二次元の画像の取得を可能とする。 In this embodiment, the detector 120 detects the magnitude of the power of the signal. That is, the detector 120 does not have to detect position information such as the distribution of signal power. The detector 120 may be a one-pixel sensor, and does not need to be a sensor that detects the position information of the power of the two-dimensional signal like the array-shaped sensor. The image pickup apparatus 100 makes it possible to acquire a two-dimensional image without using an array-shaped sensor, which may be expensive depending on the wavelength band to be detected.

検出器120として、二次元信号の波長やその他の条件に応じて、スペックルパターンのパワーを検出可能な一般的な検出器が適宜用いられる。検出器120として、CCDカメラ又はCMOSイメージセンサを備えるカメラ、紫外線カメラ、InGaAsカメラ、熱画像カメラ等が、二次元信号の波長やその他の条件に応じて適宜用いられる。 As the detector 120, a general detector capable of detecting the power of the speckle pattern is appropriately used depending on the wavelength of the two-dimensional signal and other conditions. As the detector 120, a camera equipped with a CCD camera or a CMOS image sensor, an ultraviolet camera, an InGaAs camera, a thermal image camera, or the like is appropriately used depending on the wavelength of the two-dimensional signal and other conditions.

検出器120が検出可能な信号のパワーの階調は、特に制限されない。検出器120の感度分解能が高く、二次元信号のパワーがより多くの階調にて検出される場合には、感度分解能に応じた多くの段階の透過率の部位を含むフィルタ110を用いることで、ノイズの少ない画像の再構築が可能となる。 The gradation of the power of the signal that can be detected by the detector 120 is not particularly limited. When the sensitivity resolution of the detector 120 is high and the power of the two-dimensional signal is detected in more gradations, the filter 110 including the parts of the transmittance of many stages according to the sensitivity resolution can be used. , It is possible to reconstruct an image with less noise.

再構築部130は、検出器120によって検出された複数の信号のパワーに基づき、予め上述のように求められた変換行列Dを用いて、画像を再構築する。検出器120によって検出される複数の信号の各々は、二次元信号とフィルタ110の二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位の分布とが異なる場合に検出されるパワーである。 The reconstruction unit 130 reconstructs the image based on the powers of the plurality of signals detected by the detector 120 and using the transformation matrix D previously obtained as described above. Each of the plurality of signals detected by the detector 120 is the power detected when the distribution of the two-dimensional signal and the portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal of the filter 110 are different.

再構築部130は、より詳細には、検出器120によるk回の検出により得られた信号のパワーに基づいて、上述した(18)式の関係を用いて、Qを求める。上述のように、Qは、画像xを離散フーリエ変換又はウェーブレット変換して得られる値である。そして、Qが求められると、再構築部130は、スパース変換行列Φの逆行列Φ−1を用いて画像を再構築する。本実施形態では、この場合に再構築される画像は、単色の画像であることを想定する。More specifically, the reconstruction unit 130 obtains Q based on the power of the signal obtained by the detection by the detector 120 k times, using the relationship of the above equation (18). As described above, Q is a value obtained by subjecting the image x to a discrete Fourier transform or a wavelet transform. Then, when Q is obtained, the reconstruction unit 130 reconstructs the image using the inverse matrix Φ -1 of the sparse transformation matrix Φ. In the present embodiment, it is assumed that the image reconstructed in this case is a monochromatic image.

再構築部130は、例えば、CPU(Central Processing Unit)とメモリを含むハードウェアと、画像を再構築するソフトウェアとを適宜組み合わせることによって実現される。再構築部130の具体的な構成は特に限定されず、FPGA(Field Programmable Gate Array)や、専用のハードウェア等によって実現されてもよい。再構築部130には、図3を用いて説明したキャリブレーション工程の手順によって、変換行列Dを求める機能が含まれてもよい。 The reconstruction unit 130 is realized, for example, by appropriately combining hardware including a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and software for reconstructing an image. The specific configuration of the reconstruction unit 130 is not particularly limited, and may be realized by an FPGA (Field Programmable Gate Array), dedicated hardware, or the like. The reconstruction unit 130 may include a function of obtaining the transformation matrix D by the procedure of the calibration step described with reference to FIG.

続いて、図8に示すフローチャートを参照して、撮像装置100の動作の一例を説明する。なお、以下の動作の説明では、フィルタ110のパターンに対して、図3を用いて説明したキャリブレーション工程の手順によって変換行列Dが予め求められていることを想定する。 Subsequently, an example of the operation of the image pickup apparatus 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In the following description of the operation, it is assumed that the transformation matrix D is obtained in advance for the pattern of the filter 110 by the procedure of the calibration step described with reference to FIG.

最初に、レンズ11を透過した、画像を示す二次元信号を、フィルタ110の二次元信号が透過する領域に結像させる(ステップS101)。つまり、二次元信号は、フィルタ110の二次元信号が透過する領域は、上述のように、二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられている。つまり、二次元信号は、フィルタ110のパターンに結像される。 First, a two-dimensional signal indicating an image transmitted through the lens 11 is imaged in a region through which the two-dimensional signal of the filter 110 is transmitted (step S101). That is, as for the two-dimensional signal, the region through which the two-dimensional signal of the filter 110 is transmitted is provided with a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal as described above. That is, the two-dimensional signal is imaged in the pattern of the filter 110.

検出器120は、フィルタ110のパターンに結像され、フィルタを透過した二次元信号のパワーを検出する(ステップS102)。 The detector 120 is imaged in the pattern of the filter 110 and detects the power of the two-dimensional signal that has passed through the filter (step S102).

次に、再構築部130は、予め定められた観測回数であるk回のステップS102におけるパワーの観測が行われたか否かを判定する(ステップS103)。観測回数が予め定めた回数に達していない場合(ステップS103:No)には、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化するように、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係が変化するよう制御される(ステップS104)。この制御は、例えばパターン制御部111によって行われる。また、この場合において、二次元信号とフィルタ110のパターンとの位置関係は、変換行列Dを求める場合における二次元信号検出器15の画素とフィルタ110のパターンとの位置関係のいずれかと同じとなるように制御される。そして、ステップS102に戻り、検出器120は二次元信号のパワーを検出する。 Next, the reconstruction unit 130 determines whether or not the power observation in step S102, which is a predetermined number of observations, has been performed (step S103). When the number of observations has not reached a predetermined number (step S103: No), the position of the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes so that the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 changes. The relationship is controlled to change (step S104). This control is performed, for example, by the pattern control unit 111. Further, in this case, the positional relationship between the two-dimensional signal and the pattern of the filter 110 is the same as any of the positional relationships between the pixels of the two-dimensional signal detector 15 and the pattern of the filter 110 when obtaining the transformation matrix D. Is controlled. Then, returning to step S102, the detector 120 detects the power of the two-dimensional signal.

観測回数が予め定めた回数に達している場合には(ステップS103:Yes)、再構築部130は、ステップS102において検出された複数のパワーに基づいて、画像を再構築する(ステップS105)。すなわち、再構築部130は、検出器120によるk回の観測を通じて得られた信号のパワーに基づき、予め求められた変換行列Dを用いて、画像を再構築する。 When the number of observations has reached a predetermined number (step S103: Yes), the reconstruction unit 130 reconstructs the image based on the plurality of powers detected in step S102 (step S105). That is, the reconstruction unit 130 reconstructs the image using the transformation matrix D obtained in advance based on the power of the signal obtained through k observations by the detector 120.

以上のとおり、本実施形態における撮像装置100は、画像を示す二次元信号と、フィルタ110の少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係とを変化させて(異なる場合に)検出された複数の二次元信号のパワーに基づいて、画像を再構築する。撮像装置100による画像の再構築の際に検出されるパワーの観測回数は、再構築される画像の画素数と比較して少ない回数である。また、二次元信号と、フィルタ110における少なくとも一部を遮断する部位の分布との位置関係は、例えばフィルタ110を適宜移動させることによって、容易に変化させることができる。したがって、撮像装置100は、撮像処理の速度向上を可能とする。 As described above, the image pickup apparatus 100 in the present embodiment is detected by changing (when different) the positional relationship between the two-dimensional signal indicating the image and the distribution of the portion that blocks at least a part of the filter 110. Reconstruct the image based on the power of multiple 2D signals. The number of observations of power detected when the image is reconstructed by the image pickup apparatus 100 is smaller than the number of pixels of the reconstructed image. Further, the positional relationship between the two-dimensional signal and the distribution of the portion blocking at least a part of the filter 110 can be easily changed by, for example, moving the filter 110 as appropriate. Therefore, the image pickup apparatus 100 makes it possible to improve the speed of the image pickup process.

また、撮像装置100が備える検出器120は、位置情報を検出せず、信号のパワーのみを検出する検出器であればよい。そのため、例えば遠赤外線の検出器のように、検出器のアレイ化が価格を含む様々な理由で困難な場合にも、撮像装置100によって当該波長帯の信号に対する二次元画像が容易に取得可能となる。 Further, the detector 120 included in the image pickup apparatus 100 may be a detector that does not detect the position information but detects only the power of the signal. Therefore, even when it is difficult to array the detectors for various reasons including price, such as a far-infrared detector, the image pickup device 100 can easily acquire a two-dimensional image for a signal in the wavelength band. Become.

(変形例)
上述した撮像装置100には、変形例が考えられる。
(Modification example)
A modified example of the above-described imaging device 100 can be considered.

撮像装置100では、単色の画像が再構築された。しかしながら、撮像装置100は、いわゆる多色の装置、すなわち、複数の波長に対する画像を再構築する装置であってもよい。 In the image pickup apparatus 100, a monochromatic image was reconstructed. However, the image pickup apparatus 100 may be a so-called multicolor apparatus, that is, an apparatus for reconstructing images for a plurality of wavelengths.

図9は、撮像装置が、複数の波長に対する画像を再構築する場合の構成の一例を示す。図9に示す例では、撮像装置101は、検出器120に代えて検出器121を備える。検出器121は、複数の画素を有するセンサである。検出器121として、例えば二次元方向に画素を配置したアレイセンサや、ラインセンサが用いられるが、検出器121の種類は特に限られない。 FIG. 9 shows an example of a configuration in which the image pickup apparatus reconstructs images for a plurality of wavelengths. In the example shown in FIG. 9, the image pickup apparatus 101 includes a detector 121 instead of the detector 120. The detector 121 is a sensor having a plurality of pixels. As the detector 121, for example, an array sensor in which pixels are arranged in a two-dimensional direction or a line sensor is used, but the type of the detector 121 is not particularly limited.

そして、検出器121の各々の画素は、特定の波長を選択的に透過させるフィルタが設けられること等により、それぞれ異なる波長又は波長帯を検出する構成となっている。 Each pixel of the detector 121 is configured to detect a different wavelength or wavelength band by providing a filter that selectively transmits a specific wavelength or the like.

撮像装置101では、再構築する画像の波長に応じて、検出器121の当該波長に対応する素子が選択される。そして、選択された素子によって検出された複数二次元信号のパワーに基づいて、画像が再構築される。選択される素子を変更して画像の再構築が繰り返し行われることにより、多数の波長に対する画像の再構築が可能となる。 In the image pickup apparatus 101, an element corresponding to the wavelength of the detector 121 is selected according to the wavelength of the image to be reconstructed. Then, the image is reconstructed based on the power of the plurality of two-dimensional signals detected by the selected element. By changing the selected element and repeatedly reconstructing the image, it is possible to reconstruct the image for a large number of wavelengths.

なお、画像を再構築する際に用いられる変換行列Dは波長毎に異なる。そのため、波長毎に変換行列Dが予め求められる。画像の再構築に際しては、波長に応じた変換行列Dが用いられる。そして、異なる波長に対する画像の再構築が繰り返し行われることにより、多数の波長に対する画像が再構築される。 The transformation matrix D used when reconstructing the image is different for each wavelength. Therefore, the transformation matrix D is obtained in advance for each wavelength. When reconstructing the image, the transformation matrix D according to the wavelength is used. Then, by repeatedly reconstructing the images for different wavelengths, the images for a large number of wavelengths are reconstructed.

また、複数の波長に対する画像を再構築する装置は、撮像装置101には限られない。例えば、光源によって光を照射された対象の画像を再構築する場合には、光源に分光機構を設け、撮像装置100が複数の波長の各々に対する画像を再構築することで、複数の波長に対する画像の再構築が可能となる。 Further, the apparatus for reconstructing images for a plurality of wavelengths is not limited to the imaging apparatus 101. For example, when reconstructing an image of an object illuminated by a light source, the light source is provided with a spectroscopic mechanism, and the image pickup apparatus 100 reconstructs an image for each of a plurality of wavelengths, so that an image for a plurality of wavelengths is reconstructed. Can be reconstructed.

撮像装置101等により、多数の波長に対する画像の再構築が可能となる。つまり、撮像装置101等により、ハイパースペクトルイメージングが可能となる。 An image pickup device 101 or the like enables image reconstruction for a large number of wavelengths. That is, hyperspectral imaging becomes possible with the imaging device 101 or the like.

(シミュレーション例)
上述した撮像装置100により、画像が再構築されることを、シミュレーションにより確認した。
(Simulation example)
It was confirmed by simulation that the image was reconstructed by the image pickup apparatus 100 described above.

再構築される画像は、縦横とも128画素の画像とした。また、フィルタ110のパターン及びパターンの位置の制御は、図7Cに示すとおりとした。パターンが0.2度回転する毎に、信号のサンプリングを行った。 The image to be reconstructed was an image of 128 pixels both vertically and horizontally. The pattern of the filter 110 and the control of the position of the pattern were as shown in FIG. 7C. The signal was sampled every time the pattern was rotated 0.2 degrees.

このような条件において、オリジナルの画像、及びオリジナルの画像について画素数の10%(パーセント)のサンプリングを行った場合に再構築された画像を、それぞれ図10A及び図10Bに示す。図10A、図10Bに示すように、オリジナルの画像と再構築された画像とを比較すると、人物の輪郭、画像の明暗、及び帽子のアクセサリの一部が再構築された画像に復元されることが確認できた。 Under such conditions, the original image and the image reconstructed when 10% (percentage) of the number of pixels are sampled from the original image are shown in FIGS. 10A and 10B, respectively. Comparing the original image with the reconstructed image, as shown in FIGS. 10A and 10B, the outline of the person, the brightness of the image, and some of the hat accessories are restored to the reconstructed image. Was confirmed.

上述のように、フィルタ110のパターンが0.2度回転する毎にサンプリングを行うことを想定すると、パターンが1回転する毎に1800回のサンプリングが可能となる。また、128×128画素の画像の再構築において、上述のように、画素数の10%(パーセント)のサンプリングが必要であることを想定すると、パターンが1回転する毎に、1枚の画像の再構築に必要なサンプリングが行われることとなる。 As described above, assuming that sampling is performed every time the pattern of the filter 110 is rotated by 0.2 degrees, sampling is possible 1800 times for each rotation of the pattern. Further, assuming that sampling of 10% (percentage) of the number of pixels is required in the reconstruction of an image of 128 × 128 pixels, as described above, one image is displayed for each rotation of the pattern. The sampling required for reconstruction will be performed.

したがって、パターンの回転数が1800rpm(回数/分)である場合を想定すると、1秒間に30枚程度の画像の再構築が可能となる。すなわち、撮像装置100により、画像の再構築を伴う撮像処理の速度向上が可能であることが確認できた。 Therefore, assuming that the rotation speed of the pattern is 1800 rpm (number of times / minute), it is possible to reconstruct about 30 images per second. That is, it was confirmed that the image pickup apparatus 100 can improve the speed of the image pickup process accompanied by the reconstruction of the image.

本開示の実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。本開示の実施形態の構成は、当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、実施形態における構成は、本開示のスコープを逸脱しない限りにおいて、互いに組み合わせることが可能である。 The embodiments of the present disclosure are not limited to the above embodiments. The configuration of the embodiments of the present disclosure can be modified in various ways as can be understood by those skilled in the art. Also, the configurations in the embodiments can be combined with each other without departing from the scope of the present disclosure.

この出願は、2018年3月20日に出願された日本出願特願2018−052222を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2018-052222 filed on March 20, 2018 and incorporates all of its disclosures herein.

100 撮像装置
110 フィルタ
111 パターン制御部
112 回転軸
120 検出器
130 再構築部
11 レンズ
12 アイリス
13 散乱媒質
14 信号発生器
15 二次元信号検出器
100 Imaging device 110 Filter 111 Pattern control unit 112 Rotating axis 120 Detector 130 Reconstruction unit 11 Lens 12 Iris 13 Scattering medium 14 Signal generator 15 Two-dimensional signal detector

Claims (10)

画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、前記領域に前記二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられているフィルタと、
前記フィルタを透過した前記二次元信号のパワーを検出する検出器と、
前記フィルタに結像した二次元信号と前記部位の分布との位置関係とがそれぞれ異なる場合に検出した複数の前記パワーに基づいて、前記二次元信号が表す画像を再構築する再構築手段と、
を備える撮像装置。
A filter having a region through which a two-dimensional signal showing an image is transmitted, and a portion provided in the region for blocking at least a part of the two-dimensional signal.
A detector that detects the power of the two-dimensional signal that has passed through the filter, and
A reconstruction means for reconstructing an image represented by the two-dimensional signal based on a plurality of the powers detected when the positional relationship between the two-dimensional signal imaged on the filter and the distribution of the portion is different.
An imaging device comprising.
前記位置関係が変化するように前記フィルタの位置を制御するパターン制御手段を備える、
請求項1に記載の撮像装置。
A pattern control means for controlling the position of the filter so that the positional relationship changes is provided.
The imaging device according to claim 1.
前記パターン制御手段は、前記フィルタを、前記二次元信号が結像する位置において回転することにより、前記位置関係が変化するように前記フィルタの位置を制御する、
請求項2に記載の撮像装置。
The pattern control means controls the position of the filter so that the positional relationship changes by rotating the filter at a position where the two-dimensional signal is imaged.
The imaging device according to claim 2.
前記パターン制御手段は、前記フィルタを、前記二次元信号が結像する位置において前記二次元信号が透過する方向と交わる方向に移動することにより、前記位置関係が変化するように前記フィルタの位置を制御する、
請求項2又は3に記載の撮像装置。
The pattern control means moves the filter in a direction intersecting the direction in which the two-dimensional signal is transmitted at a position where the two-dimensional signal is imaged, so that the position of the filter is changed so that the positional relationship is changed. Control,
The imaging device according to claim 2 or 3.
前記フィルタは、前記二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位として、前記二次元信号を遮断する非透過の部位を含む、
請求項1から4のいずれか一項に記載の撮像装置。
The filter includes a non-transmissive portion that blocks the two-dimensional signal as a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal.
The imaging device according to any one of claims 1 to 4.
前記フィルタは、前記二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位として、前記二次元信号の一部を透過し一部を遮断する半透過の部位を含む、
請求項1から5のいずれか一項に記載の撮像装置。
The filter includes a semi-transmissive portion that transmits a part of the two-dimensional signal and blocks a part of the two-dimensional signal as a portion that blocks at least a part of the two-dimensional signal.
The imaging device according to any one of claims 1 to 5.
前記再構築手段は、ADMM(alternating direction method of multipliers)アルゴリズムにより前記画像を再構築する、
請求項1から6のいずれか一項に記載の撮像装置。
The reconstructing means reconstructs the image by an ADMM (alternation direction method of multipliers) algorithm.
The imaging device according to any one of claims 1 to 6.
前記再構築手段は、前記部位の分布及び前記位置関係の各々に対して求められた変換行列を用いて、前記ADMMアルゴリズムにより前記画像を再構築する、
請求項7に記載の撮像装置。
The reconstructing means reconstructs the image by the ADMM algorithm using the transformation matrix obtained for each of the distribution of the site and the positional relationship.
The imaging device according to claim 7.
前記検出器は、検出する前記二次元信号の波長が異なる複数の画素を有し、
前記再構築手段は、複数の波長の前記二次元信号の各々に関して検出された複数の前記パワーに基づいて、前記複数の波長の各々に前記画像を再構築する、
請求項1から8のいずれか一項に記載の撮像装置。
The detector has a plurality of pixels having different wavelengths of the two-dimensional signal to be detected.
The reconstruction means reconstructs the image at each of the plurality of wavelengths based on the plurality of the powers detected for each of the plurality of wavelengths of the two-dimensional signal.
The imaging device according to any one of claims 1 to 8.
画像を示す二次元信号が透過する領域を有し、前記領域に前記二次元信号の少なくとも一部を遮断する部位が設けられているフィルタを透過した前記二次元信号のパワーを検出し、
前記フィルタに結像した前記二次元信号と前記部位の分布との位置関係とがそれぞれ異なる場合に検出した複数の前記パワーに基づいて、前記二次元信号が表す画像を再構築する、
撮像方法。
The power of the two-dimensional signal transmitted through a filter having a region through which the two-dimensional signal showing an image is transmitted and having a portion for blocking at least a part of the two-dimensional signal in the region is detected.
The image represented by the two-dimensional signal is reconstructed based on a plurality of the powers detected when the positional relationship between the two-dimensional signal imaged on the filter and the distribution of the portion is different.
Imaging method.
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